Os primeiros buracos negros do Universo, chamados buracos negros primordiais (PBHs), são fortes candidatos para ajudar a explicar por que o Universo é mais pesado do que parece. Só há um problema: esses monstros em miniatura ainda não foram exatamente observados. Mas, quando os astrónomos os encontrarem, poderão acabar por fazer parte da componente de matéria escura do Universo.
Os buracos negros primordiais são um dos vários tipos de objetos altamente massivos que se acredita existirem no Universo. Já sabemos sobre buracos negros de massa estelar. Eles se formam durante a morte de estrelas extremamente massivas e geralmente acabam contendo até dezenas de massas solares. Depois, há os buracos negros supermassivos, incrustados nos corações da maioria das galáxias. Eles sequestram até milhões de massas solares.
Os buracos negros de massa intermediária ocupam o meio do espectro do “buraco negro”. Eles são outro tema quente nos círculos de pesquisa sobre buracos negros. Apropriadamente, as massas destes buracos negros estão entre os seus homólogos estelares e supermassivos. Todos esses tipos de objetos massivos podem colidir uns com os outros para criar buracos negros maiores. Isso gera ondas gravitacionais que podem ser detectadas. O “ping” de cada onda gravitacional diz muito aos cientistas sobre os objetos que colidem, incluindo as suas massas.
Compreendendo os buracos negros primordiais no contexto da história cósmica
Enquanto os astrônomos procuram por PHBs, outros procuram explicar por que eles podem fazer parte do componente de matéria escura do Universo. Além disso, eles poderiam explicar a origem dos buracos negros binários detectados em observações de ondas gravitacionais.
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Tóquio examinou o “problema” dos PBHs. O seu trabalho sugere que deveria haver muito menos destes objetos do que os modelos atuais mostram. Mas ninguém sabe quantos existiam naquela época. Então, os astrônomos os procuram usando observatórios de ondas gravitacionais. A sua descoberta deverá abrir uma janela sobre as condições do Universo primordial quando o PBH se formou.
Essas miniaturas são fascinantes de se pensar. “Muitos investigadores sentem que são fortes candidatos à matéria escura, mas seriam necessários muitos deles para satisfazer essa teoria,” disse o estudante de pós-graduação e membro da equipa Jason Kristiano. “Eles são interessantes também por outras razões, já que desde a recente inovação da astronomia de ondas gravitacionais, tem havido descobertas de fusões binárias de buracos negros, o que pode ser explicado se os PBHs existirem em grande número. Mas, apesar destas fortes razões para a sua abundância esperada, não vimos nenhuma diretamente, e agora temos um modelo que deverá explicar porque é que isto acontece.”
Modelando a existência de buracos negros primordiais
A grande questão sobre os PHBs: eles existem (ou existiram)? E eles podem fazer parte do componente de matéria escura do Universo? Para responder a isso, Kristiano e seu orientador Jun’ichi Yokoyama buscaram modelos de formação de PBH. Os melhores não concordam com as condições observadas da impressão digital leve remanescente do Big Bang. Isso é chamado de radiação cósmica de fundo (CMB). Isto é importante, uma vez que os PBHs se formaram em épocas muito iniciais da história cósmica, logo após o Big Bang. Assim, a equipe utilizou o melhor modelo de formação de PBH e aplicou a teoria quântica de campos para alinhar o modelo com a realidade.
Yokoyama explicou o contexto por trás de seu trabalho. “No início, o universo era incrivelmente pequeno, muito menor que o tamanho de um único átomo. A inflação cósmica expandiu rapidamente esse número em 25 ordens de grandeza. Naquela época, as ondas que viajavam através deste pequeno espaço poderiam ter amplitudes relativamente grandes, mas comprimentos de onda muito curtos. O que descobrimos é que estas ondas pequenas mas fortes podem traduzir-se numa amplificação de outra forma inexplicável de ondas muito mais longas que vemos na actual CMB”, disse Yokoyama.
“Acreditamos que isso se deve a casos ocasionais de coerência entre essas primeiras ondas curtas, que podem ser explicadas usando a teoria quântica de campos, a teoria mais robusta que temos para descrever fenômenos cotidianos, como fótons ou elétrons. Embora as ondas curtas individuais fossem relativamente impotentes, grupos coerentes teriam o poder de remodelar ondas muito maiores do que eles próprios. Este é um caso raro em que uma teoria de algo numa escala extrema parece explicar algo no extremo oposto da escala.”
Das flutuações aos buracos negros em miniatura
Essas primeiras flutuações de pequena escala que Yokohama descreve afetam algumas das flutuações de maior escala na radiação cósmica de fundo. Os pesquisadores podem usar medições de comprimentos de onda na CMB para restringir a extensão dos comprimentos de onda correspondentes no Universo primordial. Isso também impõe alguns limites a quaisquer outros fenômenos que dependam de comprimentos de onda mais curtos e mais fortes. E é aqui que os PBHs voltam.
“Acredita-se amplamente que o colapso de comprimentos de onda curtos, mas fortes, no universo primitivo é o que cria buracos negros primordiais”, disse Kristiano. “Nosso estudo sugere que deveria haver muito menos PBHs do que seria necessário se eles fossem de fato um forte candidato a eventos de matéria escura ou de ondas gravitacionais.”
A próxima etapa depende de observatórios de ondas gravitacionais e outros tipos de observações. LIGO nos EUA, Virgo na Itália e KAGRA no Japão estão cooperando em observações destinadas a encontrar os primeiros PHBs. Os resultados devem ajudar a refinar as ideias da equipe de Yokoyama sobre PHBs e matéria escura.
Para maiores informações
O caso dos buracos negros desaparecidos
Restringindo a formação de buracos negros primordiais devido à inflação de campo único
Nota sobre as correções Bispectrum e One-loop na inflação de campo único com formação de buraco negro primordial
Fonte: InfoMoney
